Capacitance sensor: numerical and experimental applications in the aerospace field

Capacitance sensors play a key role in various applications owing to their ability to detect capacitance changes within a medium. This thesis focuses into the utilization of capacitive measurements to ascertain void fraction, the gas phase volume ratio in a gas-liquid mixture. The sensor's adaptability lends itself well to a broad spectrum of applications, therefore two distinct applications of capacitance sensors for void fraction measurement are explored. The first application focuses on investigating the regression rate of paraffin-air Hybrid Rocket Engines. These engines exhibit changes in gas-to-solid fraction as the fuel depletes, impacting chamber density. By employing capacitance sensors positioned on the chamber's sides, fluctuations in electrical capacitance throughout the burning time of the rocket can be detected. This involves creating various CAD models with different geometries and configurations, followed by simulating electric field analyses to identify the most sensitive configuration. The second application centers on utilizing capacitance sensors to determine void fraction within vapor cycle systems, essential for equipment cooling and environmental control. Evaporators within these systems are constantly under scrutiny for efficiency improvements. While high Global Warming Potential (GWP) refrigerants are conventionally used, strict regulations have spurred research into low GWP alternatives. This research, part of the exPerimental And Numerical mulTiscale mulTiphasic Heat ExchangeR (PANTTHER) Clean Sky 2 project, focuses on understanding the behavior of low GWP refrigerants like R1234ze. Void fraction measurements aid in establishing correlations between void fraction and inlet quality, enabling predictions of flow regimes within pipes and inlet conditions of the heat exchanger, as well as other pertinent physical parameters.

I sensori capacitivi rivestono un ruolo di primaria importanza in numerose applicazioni data la loro peculiare abilità nel rilevare variazioni della capacità elettrica all'interno di differenti materiali. La presente tesi si focalizza sull'impiego delle misurazioni capacitive per la determinazione della frazione di vuoto, ovvero il rapporto tra il volume della fase gassosa e il volume totale in una miscela gas-liquido. Data la loro intrinseca versatilità, tali sensori trovano applicazione in svariati ambiti. Di conseguenza, verranno esaminate due possibili applicazioni di tali sensori per la valutazione della frazione di vuoto. La prima applicazione si focalizza sull'analisi del tasso di regressione negli endoreattori ibridi a base di paraffina-aria. Tali motori manifestano variazioni nella frazione gas-solido all'esaurirsi del combustibile, con conseguenti alterazioni della densità all'interno della camera di combustione. Attraverso l'installazione di sensori capacitivi esternamente alla camera, è possibile rilevare fluttuazioni nella capacità elettrica durante il processo di combustione del propellente. Tale indagine richiede la creazione di differenti modelli CAD con differenti geometrie e configurazioni, seguiti da simulazioni del campo elettrico all'interno del sensore per identificare la configurazione più idonea. La seconda indagine si concentra sulla valutazione della frazione di vuoto all'interno dei cicli di vapore, un aspetto fondamentale per il raffreddamento e il controllo ambientale, specialmente nei dispositivi di condizionamento. Gli evaporatori utilizzati in tali sistemi sono costantemente studiati per migliorarne l'efficienza, con attenzione all'ottimizzazione della distribuzione del flusso tra i canali. Rigorose normative ambientali spingono la ricerca verso l'impiego di refrigeranti a basso impatto ambientale, in contrasto con quelli attualmente utilizzati. Il progetto PANTTHER Clean Sky 2 mira a comprendere il comportamento dei refrigeranti come il R1234ze. Attraverso le misurazioni della frazione di vuoto è possibile stabilire relazioni tra tale parametro e la qualità del fluido entrante nel sistema, fornendo informazioni sui regimi di flusso nei tubi e sulle condizioni di ingresso dello scambiatore di calore, oltre ad altri parametri fisici rilevanti.